Миниатюризация систем квантового распределения ключей с помощью фотонных интегральных схем, часть 1: Материалы
Начальник отдела научных исследований ООО «СМАРТС-Кванттелеком»
Сегодня системы квантового распределения ключей (КРК) в России и в мире выходят из научных лабораторий на рынок. В нашей стране квантовые сети развиваются в той же логике, что в Китае и Европе. На первом этапе организуются магистральные сегменты, протянувшиеся на сотни километров и соединяющие мегаполисы. На данный момент они созданы между Санкт-Петербургом, Москвой и Нижним Новгородом.
В 2024 году ОАО «РЖД» планирует продлить их на юг до Сочи через Ростов-на-Дону и на восток до Екатеринбурга через Казань (Источник: https://company.rzd.ru/ru/9401/page/78314? id=211688).
На втором этапе к опорным узлам магистральных квантовых сетей, как правило располагающихся в крупных центрах обработки данных, будут присоединяться городские квантовые сети, обслуживающие организации-абоненты.
Следует учитывать, что готовые к промышленной эксплуатации и проходящие сертификацию системы КРК предназначены для монтажа в стандартные 19-дюймовые серверные стойки и имеет соответствующие габариты, сравнимые с размерами магистральных шифраторов, а также высокую стоимость. Для того, чтобы сделать технологию КРК по-настоящему массовой, потребуется провести миниатюризацию, разработать решения для размещения на рабочих столах абонентов, на подвижных платформах (в том числе беспилотных транспортных средствах), а в долгосрочной перспективе — для БПЛА и даже устройств, носимых человеком (на отдельном носителе или интегрированные, например, в смартфон).
Может показаться, что квантовые технологии сейчас бесконечно далеки от потребительской электроники, однако еще в 2020 году компания Samsung выпустила смартфон Galaxy A Quantum, оснащенный встроенным квантовым генератором случайных чисел от швейцарской компании ID Quantique для генерации паролей (Источник: https://www.ixbt.com/news/2020/05/14/samsung-galaxy-a-quantum.html).
Безусловно, системы КРК реализовать в столь малом объеме гораздо сложнее, чем генераторы случайных чисел, и все-таки в мире существуют перспективные подходы к их миниатюризации, основанные на применении фотонных интегральных схем.
Фотонные интегральные схемы (ФИС) являются своего рода аналогом электронных микросхем, однако предназначены для управления светом (вплоть до уровня одиночных фотонов, используемых в системах КРК), а не электрическим током. По аналогии с тем, как электроника в XX веке прошла путь от радиоламп к транзисторам и затем микросхемам, квантовая коммуникация уже массово перешла от решений на объемной оптике к волоконной (кроме космических систем, но об этом в другой раз) и теперь начинает обращаться к интегральному исполнению. Тем более, что его преимущества не ограничиваются снижением габаритов.
Во-первых, это также позволит существенно повысить стабильность работы систем КРК. Все квантовые устройства проявляются очень высокую чувствительность к влиянию внешних условий, резко ухудшающую их параметры. К таким факторам относятся, к примеру, изменение температуры или механические напряжения в оптических волокнах, соединяющих компоненты систем КРК. Реализация на ФИС позволит строить системы КРК на основе компактных твердотельных элементов, существенно снизив влияние вибраций и температуры на их параметры.
Во-вторых, ФИС идеально подходят для массового производства, поскольку в перспективе позволят буквально «печатать» на литографах оптические схемы систем КРК целыми партиями вместо производства отдельных компонентов с их последующей механической сборкой, что позволит радикально снизить себестоимость.
Реализация систем КРК на ФИС стоит на «трёх китах»: оптические материалы, компоненты (волноводы, источники, приёмники, устройства управления излучением) и схемы протоколов КРК. В данном материале мы сконцентрируемся на первом аспекте.
Основные оптические материалы для реализации ФИС, применимых в технологии КРК, приведены в Таблице 1 (https://www.nature.com/articles/s41377–023–01173–8). К ним относятся: кремнезем (диоксид кремния, лат. silica), кремний на изоляторе (SOI), нитрид кремния (Si3N4), ниобат лития (LiNbO3), арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) и оксинитрид кремния (SiOxNy).
Таблица 1 — Сравнение платформ для реализации ФИС, применимых для КРК
По таблице можно сразу сделать вывод об отсутствии универсального решения, которое позволило бы реализовать все оптические компоненты систем КРК на единой платформе.
К примеру, SOI характеризуется сильным контрастом показателя преломления (волновода относительно подложки или оболочки), что позволит достичь минимальных размеров волноводов, сильную нелинейность для генерации неклассических состояний света и совместимость с CMOS-процессом (англ., «комплементарная структура металл — оксид — полупроводник»), широко применяемым в полупроводниковой промышленности для создания интегральных микросхем.
Существуют работы, в которых продемонстрирована реализация на платформе SOI лавинных фотодетекторов телекоммуникационного диапазона на основе германия. К сожалению, SOI не обладает лазерными свойствами, а потому размещение на нём источников однофотонного излучения представляет трудность.
Полупроводники группы III–V (GaAs, InP), позволяющие реализовывать источники и быстрые модуляторы излучения на ФИС, демонстрируют низкий контраст показателя преломления, дороже в производстве и имеют более высокие оптические потери, что особенно важно для приёмных модулей систем КРК (поскольку по ним распространяется однофотонный сигнал, несущий информацию, в то время как в модуле отправителя среднее число фотонов, прямым образом влияющее на защищённость системы, отсчитывается от выхода из устройства).
На платформе нитрида кремния возможно реализовать только низкочастотную модуляцию параметров оптического излучения, в то время как современные системы КРК работают на частотах кодирования сигналов (смены фазы, поляризации или других параметров) от 100 МГц до нескольких ГГц.
В связи с этим, большинство решений сегодня следует гибридной парадигме, когда модули систем КРК строятся не на одной платформе, а на нескольких ФИС из разных материалов, которые затем стыкуются друг с другом. Примером может служить созданный в 2023 году в Великобритании макет системы КРК (рисунок 1), применяющий чипы на InP для реализации источников излучения и модуляторов, а Si3N4 —интерферометра на основе волноводных компонентов. Чипы совмещались методом краевого соединения (edge coupling). Следует отметить, что в эксперименте использовались внешние детекторы одиночных фотонов, подключаемые по оптическому волокну. По оценкам авторов, данная система позволит распределять секретные ключи по волоконным каналам с потерями до 40 дБ (эквивалент 200 км) по протоколу BB84 на временных сдвигах с фазовой модуляцией.
Рисунок 1 — Пример реализации системы КРК на ФИС (https://arxiv.org/abs/2308.02238)
Представляет интерес приведенное авторами оптических потерь по компонентам разработанных модулей. Суммарные потери не превышали 8 дБ для большинства образцов, что сравнимо с волоконными системами КРК (правда, следует учитывать, что описываемый макет включает лишь минимально возможный набор компонентов). Наибольший вклад — более 40% — вносят чипы на InP, и менее 1 дБ приходится на стык между чипами и ввод/вывод в оптическое волокно из интерферометра на Si3N4.
Рисунок 2 — Распределение оптических потерь по компонентам разработанных модулей КРК на ФИС, 1–4 — номер образца, А — модуль отправителя, В — модуль получателя (https://arxiv.org/abs/2308.02238)
При реализации гибридного подхода, однако, возникает проблема различий в условиях эксплуатации разных компонентов системы. К примеру, однофотонные источники излучения на основе квантовых точек и наиболее чувствительные детекторы одиночных фотонов обычно работают при криогенных температуры. В то же время, фазовые модуляторы, основанные на термооптическом (медленные) или электрооптическом (быстрые) эффектах предназначены для комнатной температуры и не могут работать в таких экстремальных условиях. В настоящее время продолжается поиск перспективных материалов и новых схемотехнических решений для преодоления данных проблем.
Тем не менее, в данной области уже достигнуты осязаемые успехи: в последние пять лет мире появились первые компоненты и целые системы КРК на ФИС, о которых мы расскажем в следующий раз.
